在許多生產(chǎn)過(guò)程中，特別是燃燒過(guò)程和氧化反應(yīng)過(guò)程中，測(cè)量和控制混合氣體中的氧含量是非常重要的。電化學(xué)法(氧化鋯屬電化學(xué)類(lèi))是目前工業(yè)上分析氧含量的一種方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，反應(yīng)迅速，測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)。氧化鋯氧量計(jì)是電化學(xué)分析器的一種，可以連續(xù)分析各種工業(yè)鍋爐和爐窯內(nèi)的燃燒情況，通過(guò)控制送風(fēng)來(lái)調(diào)整過(guò)剩空氣系數(shù)α值，以保證*佳的空氣燃料比，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的雙重效果。這里以氧化鋯氧量計(jì)為例介紹氧含量的檢測(cè)原理。
6.1氧化鋯的導(dǎo)電機(jī)理：
電解質(zhì)溶液靠離子導(dǎo)電，具有離子導(dǎo)電性質(zhì)的固體物質(zhì)稱(chēng)為固體電解質(zhì)。固體電解質(zhì)是離子晶體結(jié)構(gòu)，靠空穴使離子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)電，與P型半導(dǎo)體空穴導(dǎo)電的機(jī)理相似。純氧化鋯(ZrO2)不導(dǎo)電，摻雜一定比例的低價(jià)金屬物作為穩(wěn)定劑，如氧化鈣(CaO2)、氧化鎂(MgO)、氧化釔(Y2O3)，就具有高溫導(dǎo)電性，成為氧化鋯固體電解質(zhì)。
為什么加入穩(wěn)定劑后，氧化鋯就會(huì)具有很高的離子導(dǎo)電性呢?這是因?yàn)?，摻有少量CaO2的ZrO2混合物，在結(jié)晶過(guò)程中，鈣離子進(jìn)入立方晶體中，置換了鋯離子。由于鋯離子是+4價(jià)，而鈣離子是+2價(jià)，一個(gè)鈣離子進(jìn)入晶體，只帶入了一個(gè)氧離子，而被置換出來(lái)的鋯離子帶出了兩個(gè)氧離子，結(jié)果，在晶體中便留下了一個(gè)氧離子空穴。例如：(ZrO2)0.85 (CaO2)0.15這樣的氧化鋯(氧化鋯的摩爾分?jǐn)?shù)為85%、氧化鈣的摩爾分?jǐn)?shù)是15%)，則具有7.5%的摩爾分?jǐn)?shù)的氧離子空穴，是成了一種良好的氧離子固體電解質(zhì)。
6.2氧化鋯分析儀的測(cè)量原理
在一個(gè)高致密的氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側(cè)，用燒結(jié)的方法制成幾微米到幾十微米厚的多孔鉑層作為電極，再在電極上焊上鉑絲作為引線(xiàn)，就構(gòu)成了氧濃差電池，如果電池左側(cè)通入?yún)⒈葰怏w(空氣)，其氧分壓為p0;電池右側(cè)通入被測(cè)氣體，其氧分壓為p1(未知)。
設(shè)p0 > p1，在高溫下(650…850℃)，氧就會(huì)從分壓大的p0一側(cè)向分壓小的p1側(cè)擴(kuò)散，這種擴(kuò)散，不是氧分子透過(guò)氧化鋯從P0側(cè)到P1側(cè)，而是氧分子離解成氧離子后，通過(guò)氧化鋯的過(guò)程。在750℃左右的高溫中，在鉑電極的催化作用下，在電池的P0側(cè)發(fā)生還原反應(yīng)，一個(gè)氧分子從鉑電極取得4個(gè)電子，變成兩個(gè)氧離子(O2-)進(jìn)入電解質(zhì)，即：
O2(P0)+ 4e→2O2-
P0側(cè)鉑電極由于大量給出電子而帶正電，成為氧濃差電池的正極或陽(yáng)極。這些氧離子進(jìn)入電解質(zhì)后，通過(guò)晶體中的空穴向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)右側(cè)的鉑電極，在電池的P1側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)，氧離子在鉑電極上釋放電子并結(jié)合成氧分子析出，即：
2O2- - 4e →O2(P1)
P1側(cè)鉑電極由于大量得到電子而帶負(fù)電，成為氧濃差電池的負(fù)極或陰極。這樣在兩個(gè)電極上，由于正負(fù)電荷的堆積而形成一個(gè)電勢(shì)，稱(chēng)之為氧濃差電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)用導(dǎo)線(xiàn)將兩個(gè)電極連成電路時(shí)，負(fù)極上的電子就會(huì)通過(guò)外電路流到正極，再供給氧分子形成離子，電路中就有電流通過(guò)。氧濃差電動(dòng)勢(shì)的大小，與氧化鋯固體電解質(zhì)兩側(cè)氣體中的氧濃度有關(guān)。據(jù)此我們就可以知道被測(cè)氣體中的氧含量。在特定的溫度下氧的體積分?jǐn)?shù)%O2與氧濃差電勢(shì)(mV)存在特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與熱電偶" target="_blank" href="http://www.jrdun.cn/product/st479.html">熱電偶的分度值相類(lèi)似。
6.3氧化鋯檢測(cè)器的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和性能
根據(jù)氧化鋯探頭的結(jié)構(gòu)形式和安裝方式的不同，我們可把氧化鋯分析儀分為直插式、抽吸式和自然滲透式及色譜用檢測(cè)器四類(lèi)，目前大量使用的是直插式氧化鋯分析儀。但現(xiàn)在空氣領(lǐng)域和色譜領(lǐng)域也開(kāi)始大量采用滲透式檢測(cè)器。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
